CN1316799C - 一种在光突发交换中支持实时业务的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在光突发交换中支持实时业务的方法，在核心节点的控制方案中，允许两种类型的资源预约方式，对于非实时业务，仍采用目前的JET机制的信令方式，即估计建立和估计释放方式。对于实时业务，则采用JET机制的扩展方式，类似于显示的建立和显示的释放方式，为提高效率在建立光路时仍可采用估计建立，但释放时则发送显示的消息。本发明对现有JET机制的基础上进行了扩展，使其同时能很好地支持非实时业务和实时业务，以方便地提供时间延迟较固定的光路连接。

Description

一种在光突发交换中支持实时业务的方法

技术领域

本发明属于通信系统中的交换控制技术领域，特别涉及光突发交换系统的交换控制技术。

背景技术

随着因特网的规模和因特网业务的指数级增长，人们对网络带宽的需求也急剧增加，因此对路由器和交换机处理能力的要求也在不断增加。由于传统的电交换存在电处理瓶颈，而克服电交换瓶颈的最根本方法在于采用全光的分组交换技术，但目前该技术还存在若干难点，如全光存储、光定时/同步等。为此，充分结合并发挥现有光、电技术的优势，构建光电混合的交换系统，是实现大容量交换系统的有效方法，如光突发交换技术(Optical Burst Switching，简称OBS)。在OBS网络中，承载用户业务的突发数据(Burst)可以看作是由大量数据分组构成的超长分组，而这个超长分组的分组头就是突发数据的控制分组(BurstHeader Packet，BHP)。与传统分组交换不同的是，BHP与突发数据在物理通道上是分离的：在密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)传输系统中，可以采用一个(或多个)专门的波长作为控制通道，用于传送BHP，而把其他的波长作为数据通道。BHP与突发数据间一一对应，BHP中包含突发数据的有关信息，如偏移时间、突发长度、数据通道(波长)等。在源端真正发送用户数据前，设置BHP与突发数据之间的偏移时间(Offset Time，即源端发送BHP与发送相应突发数据之间的间隔时间)，使BHP先于突发数据到达OBS的中间节点。BHP在中间节点转换为电信号进行处理，包括路由的确定、资源的预约以及交换矩阵的配置等，保证当突发数据到达时相应的数据通道已经配置好，从而实现数据在光域的透明传输。

从完成的功能来看，BHP与传统电路交换网络中的信令非常相似，正是在这个意义上，BHP也被称为信令消息。但与传统信令不同的是，OBS的信令不必等待目的端的反馈确认，即OBS的资源预约是单向的。也正是这种“单向预约”机制减小了连接建立延迟，提高了信道利用率。

一个OBS网络主要由边缘节点、核心节点和DWDM链路构成(见附图1)。其中，DWDM链路包括了控制信道(Control Channel)和数据信道(Data Channel)。核心节点的结构示意图见附图2。其中边缘节点负责对数据分组进行缓存和封装，组合成突发数据，然后发送给与之最邻近的OBS核心节点。封装时边缘节点生成描述突发数据特性的BHP分组，先于突发数据在特定的控制通道上发送。核心节点根据控制通道上收到的BHP，可以得知突发数据的到达时间、持续时间、目的地址(和转发标签)等控制信息，并根据这些信息完成对光路的配置，保证数据的透明通道(见文献Y.Xiong，M.Vandenhoute，and H.Cankaya，“Control architecturein optical burst-switched WDM networks，”IEEE Journal on Selected Areas inCommunications，18：1838-1851，October 2000)。

对于突发性较强的业务，传统的波长路由网络的利用率较低，而在OBS网络(主要指采用单向的预约机制)中则效率较高。但是对于实时性业务，如语音业务和图像业务，由于OBS网络并不提供严格的带宽保证，这些实时性业务的某些突发数据可能在核心网络中由于资源缺乏或冲突而被丢弃，数据丢失后需要重传，因而引入了时延和时延抖动。因此，在OBS网络中突发的延迟与延迟抖动难以严格控制，这对实时性业务是非常不利的。与之形成对比的是，波长路由网络由于直接提供透明的中间无电处理的直通光路，可以非常方便地支持这种类型的实时业务。

目前对在OBS网络中支持实时性业务的研究还非常少，只能提供一定程度的服务质量(QoS，Quality of Service)，如利用不同的Offset Time为不同的业务提供不同的优先级(见文献M.Yoo and C.Qiao，“A New Optical Burst SwitchingProtocol for Supporting Quality of Service，”In SPIE Proc.of Conf.All-opticalNetworking，volume 3531，pages 396-405，1998)，使不同优先级的业务在核心网络中有不同的丢失率。显然，这对于实时性业务的支持还是不够的。因此在本发明中，我们通过适当扩展OBS的信令和资源预约方案，使得OBS网络根据需要在某些情况下提供波长路由网络中那样的直通光路，就可以在OBS网络中有效地支持实时业务。

现在存在多种预约机制，各种预约机制主要是通过偏移时间对OBS的性能产生影响，根据偏移时间的长度可将预约机制分为三大类：

·无预约(No Reservation)：突发数据在控制信息(BHP)发送后立即发送，偏移时间仅仅是BHP的发送时间，这一机制很接近光分组交换。除非交换机的配置时间和处理时间非常短，否则这一方案没有使用价值。“Tell AndGo”就属于这一类。

·单向预约(One-Way Reservation)：不等待目的地应答，在发送BHP后间隔一段时间(偏移时间)再发送突发数据。偏移时间介于BHP的发送时间和BHP的双向传输时间。[Qiao99]提出了“Just-Enough-Time(JET)”机制，其偏移时间考虑了中间节点的处理时延，当突发数据到达中间节点时，交换机已配置好资源(见文献C.Qiao and M.Yoo，“Optical burst switching(OBS)-A new paradigm foran optical Internet”，Journal of High Speed Networks，8(1)：69-84，January 1999.)。“Just-in-Time(JIT)”机制也属于这一类(见文献I.Baldine，G.N.Rouskas，H.G.Perros，and D.Stevenson，“Jumpstart：A Just-In-Time signaling architecture for WDMburst-switched networks，”IEEE Communications Magazine，40(2)：82-89，February 2002)；

·双向预约(Two-Way Reservation)：发送BHP、等待目的地应答后，再发突发数据，偏移时间较长。这一方案接近光电路交换，为建立传输链路而引入了往返时延。由于在突发数据的发送前，BHP已经预约好了资源，传输可以得到保证。“Tell And Wait (TAW)”机制属于这一类。另外还提出了波长路由光突发交换(WR-OBS)(见文献M.Dueser and P.Bayvel，“Analysis of a dynamicallywavelength-routed optical burst switched network architecture”Journal of LightwaveTechnology，20：574-585，April 2002.)，但与其它双向机制不同，它在突发汇聚的过程中发送BHP，发送后继续进行汇聚并等待应答信息，这就减小了平均时延。

其中，单向预约有较高的效率，因为与双向预约相比不会产生过多的端到端时延，例如一个100KB的突发数据在10Gbps链路上的传输时间为80us，而200km长链路的传播时间为1ms左右。而且，单向预约更能体现光突发交换的思想。因此本文主要以单向预约机制为基础。单向预约中，按预约的起止不同，主要有四种方案，见图4所示。

图4中所涉及方案的最主要区别在于同一突发数据占用节点资源的时间不同，而这个时间长度取决于各种方案对突发开始和结束时间的估计精度，估计越准，占用资源的时间越短，资源利用率越高，且总的突发冲突概率越低。

其中，JIT(Just-in-Time)机制的优点是BHP中不携带突发长度信息，对波长的预约和释放都是通过明确的消息来完成的，因此核心节点只需以两个状态来记录链路的占用情况，这对边缘和核心节点的实现比较有利。JIT的缺点是其较少的状态信息不利于冲突解决。JET机制(Just-Enough-Time)和JIT机制正好相反，需要记录每个突发的起止时间，链路利用较高，但系统较复杂。

我们的研究和发明将以JET机制为基础。JET机制的信令方式如附图3所示，具体步骤如下：

1.在边缘节点汇聚时，将多个IP包汇聚成一个突发数据，并向核心节点发送与该突发对应的BHP，BHP的格式见附图5(a)；

2.当BHP到达核心节点时，如果没有资源可预约，核心节点将丢弃该BHP以及后来到达的突发数据，并向上游节点发送含有丢弃消息的BHP，见附图5(b)，将上游节点已预约好的资源释放，同时通知边缘节点安排重发；

3.当BHP到达核心节点时，如果有资源可预约，则预约好资源，同时该核心节点向下游节点转发BHP；当突发数据到达核心节点时，核心节点的资源(包括交换矩阵和光开关等)已配置好，突发数据将透明通过该核心节点；当突发数据离开核心节点后，核心节点根据预约时BHP中的突发长度信息，自动将相应的资源释放。

从以上阐述可知，由于现有的JET机制采用单向预约方式，并不能保证可靠的资源分配和数据传输，因此在网络中存在丢失的可能性，这种丢失的可能性对非实时业务的传输影响不大，但对于实时业务的传输影响非常大。所以现有的JET机制不能很好地支持实时业务，这是其目前存在的主要缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种在光突发交换中支持实时业务的方法，采用本发明的方法，能够很好地同时支持非实时业务和实时业务。

为描述方便，先给出如下定义：

估计建立(或释放)：一种建立(或释放)连接的方式；在这种方式里，是通过已经接收到的BHP中的参数计算出连接的建立(或释放)时间。

显示的建立(或释放)：一种建立(或释放)连接的方式；是在建立(或释放)连接时，给网络中的各个节点明确发送含有建立(或释放)连接信息的BHP，来实现连接的建立(或释放)。

边缘节点：位于OBS网络边缘的节点，在功能上主要实现突发数据的产生和光电转换。

核心节点：OBS网络中的非边缘节点。

上游节点：网络中有一节点，向它发送数据的节点称为其上游节点。

下游节点：网络中有一节点，接收它发送的数据的节点称为其下游节点。

本发明提供一种在光突发交换中支持实时业务的方法，其特征是采用以下步骤：

步骤1(实时业务的请求)：在边缘节点汇聚时，将多个IP包汇聚成一个突发数据，并根据实时业务的请求，向核心节点发送一个BHP，该BHP中含有预约消息，其中BHP的突发长度(Burst Size)项设为无穷大，BHP的格式见附图5(a)；

步骤2(非抢占方式下不成功预约)：当BHP到达核心节点时，如果采用非抢占方式，当没有资源可预约，核心节点将丢弃该BHP以及后来到达的突发数据，并向上游节点发送一个BHP，这个BHP中含有数据被丢弃的消息，见附图5(b)，为避免重新设计BHP格式，可以直接将BHP中的偏移时间(Offset)项设为一个约定值K来表示这个BHP含有数据被丢弃的消息，实际系统中的偏移时间一般不会为负数，所以我们定义约定值K为负数；上游节点收到这个BHP后，会将上游节点已预约好的资源释放，同时通知边缘节点安排重发。

步骤3(非抢占方式下成功预约)：当BHP到达核心节点时，如果采用非抢占方式，当有资源可预约，则预约好资源，同时该核心节点向下游节点转发这个BHP，此时网络为该业务提供的带宽是被该业务独享，该BHP对应的突发数据到达这个核心节点时，不会经过任何处理，而是直接通过。预约成功后，核心节点将所选波长信道的占用情况相应地设为无穷大。

步骤4(抢占方式时的资源预约)：如果采用抢占方式，则不管有没有资源可预约，当核心节点收到实时业务的连接请求时，将强行拆除其它可被抢占业务的连接，以保证所需光路的建立。预约成功后，核心节点将所选波长信道的占用情况相应地设为无穷大。如果出现业务被抢占，则核心节点将终止被抢占的业务，并向上游节点发送一个BHP，表示这个BHP所对应的突发数据被丢失。

步骤5(实时业务终止)：当实时业务的连接需要被终止时，边缘节点将向核心节点发送一个BHP，这个BHP中含有显示的释放消息，BHP的格式见附图5(c)，为避免重新设计BHP格式，也可以直接将BHP中的Offset项设定为一个特殊值来表示这个BHP含有数据被丢弃的消息，这个特殊的值也可以是一个负数；核心节点收到该BHP后将相应的资源释放，并向下游节点转发该BHP。

本发明资源预约的过程如图6所示。

需要说明的是，本发明所采用的扩展并没有对JET机制进行大的修改，只是将BHP中的突发长度这一项设置为无穷大，若成功地预约了波长资源，则在节点状态信息中，该波长的可用时间也将被设为无穷大，和电路交换一样，整个光路连接可以一直不拆除，直至源端希望终止这个连接；当且仅当显式的资源释放信令消息到达该节点时，才释放该波长资源。

本发明的实质：就是为克服现有JET机制所存在的缺陷，对现有JET机制的基础上进行扩展，使其同时能很好地支持非实时业务和实时业务。具体地说，就是在核心节点的控制方案中，允许两种类型的资源预约方式，对于非实时业务，仍采用目前的JET机制的信令方式，即估计建立和估计释放(estimated setup andestimated release)方式。对于实时业务，则采用JET机制的扩展方式，类似于显示的建立和显示的释放方式(explicit setup and explicit release)，为提高效率在建立光路时仍可采用估计建立(estimated setup)，但释放时则发送显示的消息。

本发明提供的一种在光突发交换中支持实时业务的方法，可以使现有的JET机制较好地支持实时业务，以方便地提供时间延迟较固定的光路连接，因此我们所提出的扩展机制更加完善，能同时支持实时业务和非实时业务。

附图说明

图1是现有的OBS网络结构示意图

图2是现有典型的核心节点的结构示意图

图3是现有的JET机制的信令示意图

图4是现有的单向预约的几种方案

图5是现有的控制分组(BHP)的格式示意图

其中，图(a)为用于预约的BHP格式示意图；

图(b)为含有丢失消息的BHP格式示意图；

图(C)为释放连接的BHP格式示意图；

图6本发明能够同时支持实时业务、非实时业务的信令示意图

图7本发明具体实施方式中所采用的一种基本的OBS核心节点光交换结构其中，输入、输出光纤各有四根，核心节点的输入端有四个光波长解复用器与输入的光纤相连，分别标记为1-4(其中2、3以虚线方式省略)。核心节点的输出端则有四个光波长复用器，它们与输入端的光波长解复用器相对应，也标记为1-4(其中2、3以虚线方式省略)。

图8是本发明的核心节点的波长状态变化示意图

其中，

图(a)为实时业务的BHP到达前的波长状态；

图(b)为成功预约后的波长状态；

图(c)为收到释放消息后的BHP。

具体实施方式

本发明所提出的支持实时业务的方法可用于不同的光交换结构。以下以图7所示的光交换结构给出本发明的一个实施例。

由图7可知，OBS核心节点的结构主要包括光交叉连接矩阵、波长变换器和光延迟线。这种系统结构中，有4根输入光纤，每根输入光纤有9个波长，用于承载8路业务的突发数据和一个BHP信道。同样的有4根输出光纤，因此系统支持4组共32路突发数据的交换。图7中每路仅给出了8个数据波长信道，它们在到达光交换结构时通过分波器连接到8个波长变换器；波长变化器的输出通过8个独立的可控光延迟线连接到公共的32×32无阻塞光交叉连接矩阵；矩阵的4组(每组8个)输出，要求组内输出波长不重叠，通过合波器连接到一根输出光纤。

在目前的核心节点中，我们定义了多个变量来记录每个波长的使用情况，其中T(Lam，End)表示某个波长信道(Lam)被占用的结束时间(End)。见附图8所示，一个光纤中可以有多个波长信道，这里只用两个波长信道来举例。

边缘节点将多个IP包汇聚成一个突发数据后，将BHP中的突发长度项设置为无穷大，在具体实现时，我们用-10000来表示无穷大。

核心节点在收到实时业务请求建立连接的BHP之前，波长信道1的T(Lam，End)＝(1，t1)，波长2信道的T(Lam，End)＝(2，t2)。假设核心节点在t3时刻(t3＞t2)收到一个实时业务请求建立连接的BHP时，核心节点将根据BHP所指示的端口查找可符合条件的波长信道，在非抢占方式下，如果没有合适的波长信道，则所有波长信道对应的T(Lam，End)将不变，核心节点只是向上游节点发送一个BHP，BHP中的偏移时间设为-1，表示这个BHP所对应的突发数据被丢失。

在非抢占方式下，如果有合适的波长信道，则将该波长信道对应的T(Lam，End)设为一个特殊值(如-10000)表示无穷大，以标示该波长信道将被无限制的占用，同时该BHP将被转发到下一个节点。在本例中只有波长信道2符合条件，此时波长信道1的T(Lam，End)＝(1，t4)，波长信道2的T(Lam，End)＝(2，-10000)。

在抢占方式下，本例中波长信道2仍符合条件，核心节点将设置波长信道2的T(Lam，End)＝(2，-10000)。如果波长信道1和2此时都被占用，且设当前占用波长信道2的业务可被抢占，则核心节点将终止当前业务，设置波长信道2的T(Lam，End)＝(2，-10000)，并向上游节点发送一个BHP，BHP中的偏移时间设为-1，表示这个BHP所对应的突发数据被丢失。

当连接结束时，假设边缘节点发出的含有释放消息的BHP(这个BHP中的偏移时间设为-2)在t6时刻到达核心节点，波长信道2的状态将被重新设置为一个正常值，即该波长被释放的时间，这里有T(Lam，End)＝(2，t6)；波长信道1则不受影响，仍有T(Lam，End)＝(2，t5)。

明显，本方案在对JET机制进行了简单而巧妙扩展的情况后，能同时支持实时业务和非实时业务。

Claims (1)

1、一种在光突发交换中支持实时业务的方法，其特征是采用以下步骤：

步骤1实时业务的请求步骤：  在边缘节点汇聚时，将多个IP包汇聚成一个突发数据，并根据实时业务的请求，向核心节点发送一个突发数据的控制分组即BHP，该BHP中含有预约消息，其中BHP的突发长度(Burst Size)项设为无穷大；

步骤2非抢占方式下不成功预约步骤：当BHP到达核心节点时，如果采用非抢占方式，当没有资源可预约，核心节点将丢弃该BHP以及后来到达的突发数据，并向上游节点发送一个BHP，这个BHP中含有数据被丢弃的消息，为避免重新设计BHP格式，可以直接将BHP中的偏移时间即Offset项设为一个约定值K来表示这个BHP含有数据被丢弃的消息，实际系统中的偏移时间一般不会为负数，所以我们定义约定值K为负数；上游节点收到这个BHP后，会将上游节点已预约好的资源释放，同时通知边缘节点安排重发；

步骤3非抢占方式下成功预约步骤：当BHP到达核心节点时，如果采用非抢占方式，当有资源可预约，则预约好资源，同时该核心节点向下游节点转发这个BHP，此时网络为该业务提供的带宽是被该业务独享，该BHP对应的突发数据到达这个核心节点时，不会经过任何处理，而是直接通过；预约成功后，核心节点将所选波长信道的占用情况相应地设为无穷大；

步骤4抢占方式时的资源预约步骤：  如果采用抢占方式，则不管有没有资源可预约，当核心节点收到实时业务的连接请求时，将强行拆除其它可被抢占业务的连接，以保证所需光路的建立；预约成功后，核心节点将所选波长信道的占用情况相应地设为无穷大；如果出现业务被抢占，则核心节点将终止被抢占的业务，并向上游节点发送一个BHP，表示这个BHP所对应的突发数据被丢失；

步骤5实时业务终止步骤：当实时业务的连接需要被终止时，边缘节点将向核心节点发送一个BHP，这个BHP中含有显示的释放消息，为避免重新设计BHP格式，也可以直接将BHP中的偏移时间Offset项设定为一个特殊值来表示这个BHP含有数据被丢弃的消息，这个特殊的值也可以是一个负数；核心节点收到该BHP后将相应的资源释放，并向下游节点转发该BHP。

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